Квантовая природа света кратко
Обновлено: 08.07.2024
Эйнштейн является одним из основателей новой, квантовой теории света и основателем теории относительности. Согласно квантовой теории свет представляет поток своеобразных частиц материи, так называемых квантов, или фотонов. Эйнштейн доказал, что фотоны обладают не только некоторой энергией, которую они уносят от светящегося тела, но и (соответственно этой энергии) некоторой массой, а значит и весом, как это вытекало из новой теории тяготения, установленной Эйнштейном на основе теории относительности3.
Но указанный вывод надо было доказать на опыте. Эйнштейн (точнее ряда других ученых) это и сделал, применив (говоря принципиально) метод Марата. Однако Эйнштейн учел, что те тяжелые, массивные тела, вблизи которых Марат пропускал лучи света, были все же недостаточно массивны; поэтому они и не могли сколько-нибудь заметно притянуть фотоны. В поисках достаточно массивного тела Эйнштейн обратился за помощью к астрономии. В качестве тела большой массы он выбрал Солнце,— ведь,- масса Солнца превышает массу нашего земного шара больше чем в 300 тыс. раз.
Солнце должно притягивать проходящие вблизи его поверхности световые лучи с ощутительной силой.
Все это хорошо,— скажет читатель; но откуда же взять такие, проходящие вблизи солнечной поверхности, лучи?
Эйнштейн нашел очень остроумный выход из положения.
Представьте себе, что вы наблюдаете полное солнечное затмение, во время которого на несколько минут наступает такая темнота, что вблизи закрытого Луной диска Солнца становятся видимыми звезды. Лучи от таких звезд, видимых вблизи Солнца, прежде чем подойти к нашему глазу, должны пройти очень близко от поверхности Солнца.
Эйнштейн рассуждал так: если свет действительно весом, если он способен притягиваться материальными телами, то идущий к нам мимо Солнца световой луч от звезды должен вследствие его притяжения Солнцем несколько отклониться в направлении к Солнцу. В итоге световой луч вступит в глаз в таком направлении, как если бы он шел из точки, расположенной несколько дальше от Солнца, чем расположена видимая рядом с солнечным диском звезда.
На этом основании Эйнштейн обратился к астрономам всего мира с просьбой пронаблюдать при помощи фотографических снимков положения звезд вблизи солнечного диска во время солнечного затмения. Он предсказывал, что изображения звезд на снимках окажутся несколько смещенными в сторону от Солнца. Эйнштейн вывел даже формулу, устанавливавшую количественную величину этого смещения в зависимости от расстояния изображения звезды на снимке от центра изображения диска Солнца: смещение должно было быть обратно пропорционально этому расстоянию.
Наблюдения. произведенные в 1919, 1922 и 1929 гг., подтвердили предсказание Эйнштейна. Правда, наблюдения 1929 г. дали результат, количественно несколько превышающий величину указываемого теорией Эйнштейна смещения (примерно на 30
В 1900 г. немецкий физик Макс Планк высказал гипотезу: свет излучается и поглощается не непрерывно, а отдельными порциями — квантами (или фотонами). Энергия Е каждого фотона определяется формулой Е = hv, где h — коэффициент пропорциональности — постоянная Планка, v— частота света. Опытным путем вычислили h = 6,63·10 -34 Дж·с. Гипотеза M.Планка объяснила многие явления, а именно, явление фотоэффекта, открытого в 1887 г. немецким ученым Г. Герцем. Далее фотоэффект изучил экспериментально русский ученый Столетов.
Фотоэффект и его законы
схема опыта Столетова
Фотоэффект — это вырывание электронов из вещества под действием света.
В результате исследований было установлено 3 закона фотоэффекта:
1. Фототок насыщения прямо пропорционален падающему световому потоку.
2. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно растает с частотой света и зависит от его интенсивности.
3. Для каждого вещества существует максимальная длина волны, при которой фотоэффект еще наблюдается. При больших длинах фотоэффекта нет.
Теорию фотоэффекта создал немецкий ученый А. Эйнштейн в 1905 г. В основе теории Эйнштейна лежит понятие работы выхода электронов из металла и понятие о квантовом излучении света. По теории Эйнштейна фотоэффект имеет следующее объяснение: поглощая квант света, электрон приобретает энергию. При вылете из металла энергия каждого электрона уменьшается на определенную величину, которую называют работой выхода (Авых). Работа выхода — это минимальная энергия, которую надо сообщить электрону, чтобы он покинул металл. Она зависит от типа металла и состояния его поверхности. Максимальная энергия электронов после вылета (если нет других потерь) имеет вид:
— это уравнение Эйнштейна.
Если hv Применение фотоэффекта в технике.
Приборы, в основе принципа действия которых лежит явление фотоэффекта, называют фотоэлементами. Простейшим таким прибором является вакуумный фотоэлемент. Недостатками такого фотоэлемента являются: слабый ток, малая чувствительность к длинноволновому излучению, сложность в изготовлении, невозможность использования в цепях переменного тока. Применяется в фотометрии для измерения силы света, яркости, освещенности, в кино для воспроизведения звука, в фототелеграфах и фототелефонах, в управлении производственными процессами.
Существуют полупроводниковые фотоэлементы, в которых под действием света происходит изменение концентрации носителей тока. На этом явлении (внутреннего фотоэффекта) основано устройство фоторезисторов. Они используются при автоматическом управлении электрическими цепями (например, в турникетах метро), в цепях переменного тока, в часах, микрокалькуляторах. Полупроводниковые фотоэлементы используются в солнечных батареях на космических кораблях, в первых автомобилях.
Экспериментальное исследование фотоэффекта проведено Столетовым. Он предложил удобную измерительную схему, принцип которой сохранился до настоящего времени. Внутрь баллона, в котором создан вакуум, помещаются два электрода: фотокатод К, изготовленный из исследуемого материала, и анод. Свет направляется на фотокатод через кварцевое окно. Электроны, испущенные вследствие фотоэффекта (так называемые фотоэлектроны), перемещаются под действием электрического поля к аноду. Появление тока в цепи регистрируется гальванометром Г, напряжение между фотокатодом и анодом изменяется потенциометром П, а измеряется вольтметром V.
Световые кванты
Квантовая гипотеза Планка. Фотон
Квантовая гипотеза Планка: излучение электромагнитных волн атомами и молекулами вещества происходит не непрерывно, а дискретно, т. е. отдельными порциями – квантами. Энергия кванта прямо пропорциональна частоте излучения:
Е = hv,
где h = 6,62 • 10 –34 (Дж • с) – постоянная Планка.
Фотон – это квант света, представляющий из себя электрически нейтральную частицу, которая не имеет массы покоя, а существует только при движении ее со скоростью света в вакууме с = 3 • 10 8 м/с.
Энергия и импульс фотона выражаются через волновые физические характеристики – частоту и длину волны:
ЕФ = hV,
рФ = (h • v) / c = h / λ
Для фотона как для релятивистской частицы выполняется закон взаимосвязи массы и энергии:
Е = m • с 2
Фотоэффект. Законы внешнего фотоэффекта
Фотоэффект – это явление взаимодействия света с веществом в результате, которого происходит вырывание фотоэлектронов. При внешнем фотоэффекте фотоэлектроны покидают поверхность тела. При внутреннем фотоэффекте фотоэлектроны остаются внутри вещества.
Работа выхода – минимальная работа, которую нужно совершить для выхода электрона из металла. Работа выхода зависит только от рода материала и определяется по таблице.
Законы внешнего фотоэффекта:
- Фототок насыщения прямо пропорционален интенсивности света, падающего на вещество.
- Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов увеличивается при увеличении частоты падающего на вещество излучения и не зависит от интенсивности света.
- Для каждого вещества существует максимальная длина электромагнитной волны λmax (красная граница фотоэффекта), за которой начинается фотоэффект. Облучение вещества световыми волнами большей длины фотоэффект не вызывают.
Данные законы были установлены опытным путем, их невозможно объяснить с помощью волновой теории света. Явление фотоэффекта и его законы были объяснены А. Эйнштейном с помощью квантовой теории света.
Каждый фотон взаимодействует только с одним электроном.
Закон сохранения энергии называют уравнением Эйнштейна для внешнего фотоэффекта:
Давление света
Давление света – это давление, которое создает электромагнитная волна, падая на поверхность тела.
Давление света на зеркальную поверхность в два раза больше, чем на черную (поглощающую) поверхность.
Изменение импульса фотона при отражении от зеркальной поверхности Δр = 2р0. Изменение импульса фотона при поглощении есть Δр = –р0.
Если коэффициент отражения энергии препятствием равен R, а число падающих фотонов на единицу поверхности препятствия, при интенсивности света I равно:
N = I / (h • v)
то из них N • R фотонов отразится, a N • (1 – R) – поглотится поверхностью препятствия.
Полное давление света на поверхность препятствия равно:
Корпускулярно-волновой дуализм
Корпускулярно-волновой дуализм – это проявление в поведении одного и того же объекта как корпускулярных, так и волновых свойств.
Свет обладает одновременно как волновыми свойствами (интерференция, дифракция, поляризация) так и корпускулярными свойствами (давление света, фотоэффект), т. е. ведет себя как корпускула (частица).
Сами по себе волновая и корпускулярная модели света являются односторонними, имеющими ограничения. В совокупности они позволяют подойти к более полному описанию реального мира.
Задумывались ли вы о том, что собой представляют на самом деле многие световые явления? Для примера возьмем фотоэффект, тепловые волны, фотохимические процессы и тому подобное – все это квантовые свойства света. Если бы они не были открыты, труды ученых не двинулись бы с мертвой точки, собственно, как и научно-технический прогресс. Изучают их в разделе квантовой оптики, который неразрывно связан с одноименным разделом физики.
Квантовые свойства света: определение термина
До недавнего времени четкую и понятную трактовку данному оптическому явлению дать не могли. Им успешно пользовались в науке и повседневной жизни, на его основе строили не только формулы, но и целые задачи по физике. Сформулировать окончательное определение получилось лишь у современных ученых, которые подводили итоги деятельности своих предшественников. Итак, волновые и квантовые свойства света – это следствие особенностей его излучателей, которыми являются электроны атомов. Квант (или фотон) образуется за счет того, что электрон переходит на пониженный энергетический уровень, тем самым генерируя электро-магнитные импульсы.
Первые оптические наблюдения
Предположение о наличии у света квантовых свойств появилось в XIX столетии. Ученые открыли и усердно изучали такие явления, как дифракция, интерференция и поляризация. С их помощью была выведена электромагнитная волновая теория света. Она базировалась на ускорении движения электронов во время колебания тела. За счет этого происходило нагревание, а следом за ним появлялись световые волны. Первую авторскую гипотезу на сей счет сформировал англичанин Д. Рэлей. Он расценивал излучение как систему одинаковых и постоянных волн, причем в замкнутом пространстве. Согласно его выводам, при уменьшении длины волн мощность их должна была непрерывно возрастать, более того, требовалось наличие ультрафиолетовых и рентгеновских волн. На практике же все это не подтвердилось, и за дело взялся другой теоретик.
Формула Планка
В самом начале XX века Макс Планк – физик немецкого происхождения – выдвинул интересную гипотезу. Согласно ей, излучение и поглощения света происходит не непрерывно, как думали ранее, а порционно – квантами, или, как их еще называют, фотонами. Была введена постоянная Планка – коэффициент пропорциональности, обозначаемый буквой h, и он был равен 6,63·10 -34 Дж·с. Дабы высчитать энергию каждого фотона, требовалась еще одна величина – v– частота света. Постоянная Планка умножалась на частоту, и в результате получали энергию отдельно взятого фотона. Так немецкий ученый точно и грамотно закрепил в одной простой формуле квантовые свойства света, которые ранее были обнаружены Г. Герцем и обозначены им как фотоэффект.
Открытие фотоэффекта
Как мы уже сказали, ученый Генрих Герц был первым, кто обратил внимание на незамечаемые ранее квантовые свойства света. Фотоэффект был открыт в 1887 году, когда ученый соединил освещенную цинковую пластину и стержень электрометра. В случае если до пластины доходит положительный заряд, электрометр не разряжается. Если излучается заряд отрицательный, то прибор начинает разряжаться, как только на пластину попадает луч ультрафиолета. В ходе данного практического опыта было доказано, что пластина под воздействием света может излучать отрицательные электрические заряды, которые впоследствии получили соответствующее название - электроны.
Практические опыты Столетова
Практические эксперименты с электронами проводил русский исследователь Александр Столетов. Для своих опытов он использовал вакуумный стеклянный баллон и два электрода. Один электрод использовался для передачи энергии, а второй был освещаемым, и к нему подводился отрицательный полюс батареи. В ходе данной операции начинала возрастать сила тока, но через некоторое время она становилась постоянной и прямо пропорциональной излучению светового потока. В результате было выявлено, что кинетическая энергия, а также задерживающие напряжения электронов не зависят от мощности светового излучения. Но увеличение частоты света заставляет расти данный показатель.
Новые квантовые свойства света: фотоэффект и его законы
В ходе развития теории Герца и практики Столетова были выведены три основные закономерности, по которым, как оказалась, функционируют фотоны:
1. Мощность светового излучения, которое падает на поверхность тела, прямо пропорциональна силе тока насыщения.
2. Мощность светового излучения никак не влияет кинетическую энергию фотоэлектронов, а вот частота света является причиной линейного роста последней.
Трудности столкновения двух теорий
После формулы, выведенной Максом Планком, наука столкнулась с дилеммой. Ранее выведенные волновые и квантовые свойства света, которые были открыты чуть позже, не могли существовать в рамках общепринятых физических законов. В соответствии с электромагнитной, старой теорией, все электроны тела, на которое попадает свет, должны приходить в вынужденное колебание на равных частотах. Это порождало бы бесконечно большую кинетическую энергию, что никак невозможно. Более того, для накопления необходимого количества энергии электронам нужно было пребывать в состоянии покоя десятки минут, в то время как явление фотоэффекта на практике наблюдается без малейшей задержки. Дополнительная путаница возникала также из-за того, что энергия фотоэлектронов не зависела от мощности светового излучения. Кроме того, еще не была открыта красная граница фотоэффекта, а также не была высчитана пропорциональность частоты света кинетической энергии электронов. Старая теория не смогла четко объяснить видимые глазу физические явления, а новая была еще не до конца отработанной.
Рационализм Альберта Эйнштейна
Простейшие приборы, в основе которых лежит принцип фотоэффекта
После открытий, сделанных немецкими учеными на заре ХХ столетия, началось активное применение квантовых свойств света для изготовления различных приборов. Изобретения, принцип действия которых заключается в фотоэффекте, называют фотоэлементами, простейший представитель которых – вакуумный. В числе его недостатков можно назвать слабую проводимость тока, низкую чувствительность к излучению длинных волн, из-за чего он не может быть использован в цепях переменного тока. Вакуумный прибор широко используется в фотометрии, им измеряют силу яркости и качества света. Также он играет важную роль в фототелефонах и в процессе воспроизведения звука.
Фотоэлементы с проводниковыми функциями
Это уже совсем иной тип приборов, в основе которых лежат квантовые свойства света. Их назначение – изменение концентрации носителей тока. Данное явление иногда называют внутренним фотоэффектом, и он составляет основу работы фоторезисторов. Данные полупроводники играют очень важную роль в нашей повседневной жизни. Впервые их начали использовать в ретро-автомобилях. Тогда они обеспечивали работу электроники и аккумуляторов. В середине ХХ века подобные фотоэлементы стали применять для строительства космических кораблей. До сих пор за счет внутреннего фотоэффекта работают турникеты в метро, портативные калькуляторы и солнечные батареи.
Фотохимические реакции
Свет, природа которого стала лишь частично доступна науке в ХХ веке, на самом деле влияет на химические и биологические процессы. Под воздействием квантовых потоков начинается процесс диссоциации молекул и их слияние с атомами. В науке такое явление называется фотохимией, а в природе одним из его проявлений является фотосинтез. Именно за счет световых волн в клетках производятся процессы по выбросу определенных веществ в межклеточное пространство, за счет чего растение приобретает зеленый оттенок.
Влияют квантовые свойства света и на человеческое зрение. Попадая на сетчатку глаза, фотон провоцирует процесс разложение молекулы белка. Данная информация транспортируется по нейронам в мозг, и после ее обработки мы можем видеть все при свете. С наступлением темноты молекула белка восстанавливается, и зрение аккомодируется к новым условиям.
Итоги
В ходе данной статьи мы выяснили, что главным образом квантовые свойства света проявляются в явлении, называемом фотоэффектом. Каждый фотон имеет свой заряд и массу, и при столкновении с электроном попадает внутрь него. Квант и электрон становятся одним целым, и их совместная энергия превращается в кинетическую, что, собственного говоря, и требуется для осуществления фотоэффекта. Волновые колебания при этом могут увеличить производимую фотоном энергию, но лишь до определенного показателя.
Фотоэффект в наши дни является незаменимой составляющей большинства видов техники. На его основе строят космические лайнеры и спутники, разрабатывают солнечные батареи, используют как источник вспомогательной энергии. Кроме того, световые волны оказывают огромное влияние на химико-биологические процессы на Земле. За счет простых солнечных лучей растения становятся зелеными, земная атмосфера окрашивается во всю палитру синего цвета, и мы видим мир таким, каков он есть.
Читайте также: